地源热泵技术在暖通空调节能中的优化应用分析

何风林

摘 要：近些年来，随着我国科技的不断发展，人们的生活水平得到了明显的提高，越来越多的高科技应用到了人们的生活当中。文章所要研究的就是地源热泵技术在暖通空调当中的应用，同时对地源热泵技术的出现与发展进行详细的介绍，对地源热泵技术在暖通空调的应用中的内容进行介绍，目的是减少暖通空调使用过程当中能源的损耗，提高暖通空调的节能性能，对我国环境的保护工作带来贡献。

关键词：地源热泵技术；暖通空调；地热

引言：

空调的出现给人们的生活带来了便利，为人们创造了一个更舒适的生活环境。然而，在运行过程中，空调会消耗大量的能量。有数据表明空调是造成夏季或冬季的能源短缺主要因素。因此，空调提供了方便，同时也给社会带来了一些能源负担和环境污染负担。为了帮助空调改善其存在的缺陷，使空调的制冷和制热更加的节能、高效，空调制造企业可以采用地源热泵技术满足其要求。

1地源热泵技术与原理

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～15℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60%。因此，近十几年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机主要有两种形式：水—水式或水—空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

2地源分类

地源按照室外换热方式不同可分为三类：1.土壤埋盘管系统，2.地下水系统，3.地表水系统。由于我国水资源分布不均，尤其是华北地区严重缺水，已经形成数个地下水漏斗，所以华北地区已经出台政策：严控地下水方式制冷、采暖。而地表水形式的地源热泵，建筑物临近必须有一定规模的地表水源，因此，应用受到现实的限制，难于大范圍推广。因此，地源热泵的重点推广形式：土壤埋盘管系统。也是本文介绍的主要内容。

根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。闭环系统如埋盘管方式（垂直埋管或 水平埋管），地表水安置换热器方式。开环系统如抽取地下水或地表水方式。

3地源热泵的特点

3.1地源热泵的优点

3.1.1属可再生能源利用技术

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

3.1.2属经济有效的节能技术

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。

3.1.3环境效益显著

地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

3.1.4一机多用，应用范围广

地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统：可以同时给人们提供制冷（或采暖）和生活热水。

3.2地源热泵的缺点

3.2.1初投资相对较高

土壤埋盘管系统的地源热泵，相对于地下水式和地表水式水源热泵系统，换热效率较低，因此需要打较多地下换热井，初投资较多。

3.2.2占地面积较大

由于需要大量的地下换热井，且换热井之间需要有一定的距离（约4米）要求，所以地下换热场面积较大。需要在项目立项、设计阶段就考虑采用地源热泵系统。城市中的改造项目应用比较困难。

4地源热泵技术在暖通空调当中的应用

地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。

4.1家用系统

用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。

4.2集中系统

热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

4.3分散系统

用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一 般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。

4.4混合系统：

将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。

南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。

4.5水环路热泵空调系统

水环路热泵（Water-Loop Heat Pump，简称WLHP）空调系统，它由许多台水源热泵空调机（WSHP）组成。这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起，该水管路既作空调工况下的冷源，又作供暖工况下热泵热源。水环路的冷热源可以是地源，或锅炉、冷却塔联合方式。

夏季运行：全部或大多数机组为供冷，热量水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔。

春季/秋季运行：对有内区与周边区的建筑物，会出现内区需要供冷而周边区需要供热，内区的热量就可被周边区所利用，即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时，室外的冷热源可以停运。这种制冷供热同时进行，能量在建筑物内部转移，运行费用最少，节能效果明显。

冬季运行：全部或大多数机组为供热，供热源（地源或加热源）把热量补充到水环路。

水环路热泵空调系统除具有显著节能特点外，还具有以下特点：

节省占地：不设大的冷冻机房，没有冷却塔系统。

能源费用单独计量：由各部门、住户或单位独立承担，能源费用计量简单且公平，符合当前的能源费用独立计量方法。

调节灵活：每台热泵空调机在任何时间可以选择供冷或供热。

灵活应用：能灵活充份地满足建筑物各个区的需要，并随时可以更改用途。

结束语：

通过文章的介绍，可以更加清晰的了解到地源熱泵技术的发展与应用现状，地源热泵技术的应用可以有效的减少能源的损耗，对环境的保护带来保障。在暖通空调方面，应用地源热泵技术也是十分必要的，面对其中存在的不足，要积极寻找对策来进行解决，这样才能使地源热泵技术在暖通空调当中的应用价值更高，对能源的节约带来更好的保障。

参考文献

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（作者单位：瑞冬集团股份有限公司）